本發(fā)明涉及機器人控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種機器人直線運動控制方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

robotoperatingsystem(ros)是開源的機器人操作系統(tǒng)，可以為機器人開發(fā)者提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的、開源的編程框架。但是ros目前不支持實時線程操作。openrobotcontrolsoftware(orocos)也是一種開源的機器人控制軟件編程框架，它的特點是支持實時的線程操作，但是它的開放性，通用性沒有ros好。

因此，機器人直線運動是機器人一種重要運動方式，目前在一些應(yīng)用方案中，在ros上采用orocos，但現(xiàn)有技術(shù)方案在搭建的架構(gòu)上，不能構(gòu)成一個完整的機器人控制器軟件，在執(zhí)行直線運動時，無法充分利用ros和orocos的特性，系統(tǒng)開發(fā)成本高，控制效果差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對上述開發(fā)成本高，控制效果差的技術(shù)問題，提供一種機器人直線運動控制方法，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果。

一種機器人直線運動控制方法，包括：

接收控制端傳送的直線運動指令；其中，所述直線運動指令包括機械臂末端的直線運動的目標(biāo)位置和直線運動需要的時間；

讀取機械臂末端的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度；從所述直線運動指令中獲取直線運動的目標(biāo)位置；根據(jù)所述當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前位置運動到所述目標(biāo)位置的角度軌跡方程，以及計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度降為0的速度軌跡方程和加速度軌跡方程；根據(jù)所述角度軌跡方程、速度軌跡方程和加速度軌跡方程和直線運動的方向單位向量確定直線運動軌跡；

計算機械臂末端在所述直線運動軌跡上運行時，機械臂關(guān)節(jié)在各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

一種機器人直線運動控制系統(tǒng)，包括：總控模塊、算法模塊和通信管理模塊；

所述總控模塊，用于接收控制端傳送的直線運動指令；其中，所述直線運動指令包括機械臂末端的直線運動的目標(biāo)位置和直線運動需要的時間；

所述算法模塊，用于讀取機械臂末端的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度；從所述直線運動指令中獲取直線運動的目標(biāo)位置；根據(jù)所述當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前位置運動到所述目標(biāo)位置的角度軌跡方程，以及計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度降為0的速度軌跡方程和加速度軌跡方程；根據(jù)所述角度軌跡方程、速度軌跡方程和加速度軌跡方程和直線運動的方向單位向量確定直線運動軌跡；計算機械臂末端在所述直線運動軌跡上運行時，機械臂關(guān)節(jié)在各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；

所述通信管理模塊，用于將所述目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

上述機器人直線運動控制方法和系統(tǒng)，在接收控制端傳送的直線運動指令后，根據(jù)該函數(shù)計算直線運動的運動軌跡，并實時計算機械臂各個關(guān)節(jié)在該運動軌跡上運行的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度等狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站，實現(xiàn)對機器人的直線運動控制過程；該技術(shù)方案可以構(gòu)成一個完整的機器人直線運動控制系統(tǒng)，降低機器人控制系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的機器人直線運動控制方法流程圖；

圖2是機器人直線運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是總控模塊執(zhí)行算法流程圖；

圖4是算法模塊執(zhí)行算法流程圖；

圖5是算法模塊執(zhí)行算法狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；

圖6是一應(yīng)用實例的機器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模型；

圖7是基于ros和orocos的搭建的軟件架構(gòu)圖；

圖8是控制器狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖；

圖9是設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的機器人直線運動控制方法的實施例。

本發(fā)明實施例中，所述直線運動，是指機械臂末端位置當(dāng)前位置p0運動到目標(biāo)位置p1的運動過程。

參考圖1所示，圖1是本發(fā)明實施例的機器人直線運動控制方法流程圖，包括：

s10，接收控制端傳送的直線運動指令；其中，所述直線運動指令包括機械臂末端的直線運動的目標(biāo)位置和直線運動需要的時間；

上述步驟中，可以利用預(yù)設(shè)的通信協(xié)議并以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式接收直線運動指令；例如，所述直線運動指令包括機械臂末端位置p1和直線運動需要的時間t。

在此過程中，可以是操作者通過人機交互界面生成直線運動指令，該指令無需傳遞參數(shù)；通過預(yù)設(shè)的通信協(xié)議，如基于iec(theinternetcommunicationsengine，互聯(lián)網(wǎng)通信引擎)開發(fā)的通信協(xié)議，以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式從人機交互界面接收直線運動指令。

在一個實施例中，在接收直線運動指令后，根據(jù)所述直線運動指令異步觸發(fā)直線運動執(zhí)行函數(shù)，根據(jù)所述直線運動執(zhí)行函數(shù)并通過第一接口調(diào)用直線運動規(guī)劃函數(shù)；其中，所述第一接口是基于ros上創(chuàng)建orocos的實時輸入/輸出接口。

進一步的，在調(diào)用直線運動規(guī)劃函數(shù)前，所述直線運動執(zhí)行函數(shù)判斷控制器狀態(tài)機是否為準(zhǔn)備狀態(tài)；若是，通過orocos的operationalcaller方法調(diào)用所述直線運動規(guī)劃函數(shù)，并將控制器狀態(tài)機切換為執(zhí)行直線運動狀態(tài)；若否，則拒絕執(zhí)行此次指令。所述控制器狀態(tài)機的可被改變狀態(tài)、并讀取狀態(tài)，設(shè)有初始化、指令等待、指令執(zhí)行、中斷和使能對應(yīng)的狀態(tài)。

s20，讀取機械臂末端的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度；從所述直線運動指令中獲取直線運動的目標(biāo)位置；根據(jù)所述當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前位置運動到所述目標(biāo)位置的角度軌跡方程，以及計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度降為0的速度軌跡方程和加速度軌跡方程；根據(jù)所述角度軌跡方程、速度軌跡方程和加速度軌跡方程和直線運動的方向單位向量確定直線運動軌跡；

具體的，在調(diào)用所述直線運動規(guī)劃函數(shù)后，讀取機械臂末端的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度和當(dāng)前加速度，并根據(jù)所述當(dāng)前位置、當(dāng)前速度和當(dāng)前加速度和直線運動指令計算直線運動軌跡。

進一步地，在調(diào)用直線運動規(guī)劃函數(shù)后，根據(jù)所述直線運動規(guī)劃函數(shù)執(zhí)行直線運動規(guī)劃流程，并檢查控制器狀態(tài)機是否為執(zhí)行直線運動狀態(tài)；若是，執(zhí)行所述計算直線運動軌跡的步驟，否則，退出執(zhí)行流程。

作為實施例，計算直線運動軌跡的方法，可以包括如下步驟：

(1)讀取機械臂末端當(dāng)前位置，當(dāng)前速度和加速度；

具體地，讀取機械臂末端當(dāng)前位置p0＝[x0,y0,z0]^t，當(dāng)前速度和加速度以及目標(biāo)位置p1＝[x1,y1,z1]^t；

(2)根據(jù)直線運動指令的機械臂末端目標(biāo)位置和直線運動需要的時間，將機械臂末端位置的目標(biāo)速度和加速度設(shè)為0，生成直線運動軌跡；

具體地，計算計算直線運動的軌跡方程及其方向單位向量，根據(jù)所述軌跡方程和方向單位向量得到直線運動軌跡；

所述軌跡方程為：

方向單位向量計算公式為：

s30，計算機械臂末端在所述直線運動軌跡上運行時，機械臂關(guān)節(jié)在各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

在一個實施例，通過第二接口將所述目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度發(fā)送給設(shè)備通信軟件轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站；其中，所述第二接口是基于ros上創(chuàng)建orocos的實時輸入/輸出接口。

在一個實施例中，所述計算目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度的方法，可以包括如下過程：

(1)構(gòu)建所述直線運動軌跡的方程；具體的，所述線運動軌跡的方程表示為：

s(t)＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵

系數(shù)為：

a0＝s0

式中，t是運行時間；ai,i＝1,…,5是系數(shù)；

(2)根據(jù)所述方程計算在所述直線運動軌跡運動后時刻t時的軌跡位置st，軌跡速度軌跡加速度

具體的，時刻t時的軌跡位置st，軌跡速度軌跡加速度的計算公式為：

st＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵

(3)計算機械臂末端在所述時刻t時的目標(biāo)位置pt，目標(biāo)速度和加速度

機械臂末端在時刻t時的目標(biāo)位置pt，目標(biāo)速度和加速度計算公式為：

(4)通過逆運動學(xué)將所述機械臂末端的目標(biāo)位置pt，目標(biāo)速度和加速度轉(zhuǎn)換為機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；

機械臂關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度的計算公式為：

θt＝invkinematics(pt)

其中，機械臂關(guān)節(jié)角的位置θt，角速度角加速度其中，invkinematics()代表逆運動學(xué)的計算公式，j為雅可比(jacobian)矩陣，為雅可比矩陣的一階導(dǎo)，j⁺為偽逆(pseudoinverse)。

作為實施例，所述計算目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度的方法，可以包括如下：

(1)在機械臂開始在所述直線運動軌跡運動后，統(tǒng)計機械臂的運動時間tn；τ＝1/f，f表示刷新頻率；

即由零開始統(tǒng)計時間，按照刷新率不斷計算機械臂各個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；上述實施例中，一般情況下，所述τ為1毫秒。

(2)若所述運動時間滿足：tn≤at，每隔設(shè)定時間τ計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；一般情況下，所述a＝70％。

(3)若運動時間tn滿足：at＜tn＜t，將標(biāo)志位更改為過渡狀態(tài)，將控制器狀態(tài)機狀態(tài)設(shè)定為準(zhǔn)備狀態(tài)；

進一步地，在過渡狀態(tài)下，若有新指令輸入，則啟動過渡運動規(guī)劃；若沒有新指令輸入，則每隔設(shè)定時間τ計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，并發(fā)送給設(shè)備通信軟件。

(4)若運動時間tn滿足：tn≥t，點到點運動結(jié)束，將標(biāo)志位更改為等待狀態(tài)。

上述實施例的技術(shù)方案，利用orocos的實時輸入/輸出接口，通過設(shè)定通信協(xié)議以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式接收直線運動指令，啟動直線運動指令觸發(fā)函數(shù)，調(diào)用機器人運動規(guī)劃的直線運動執(zhí)行函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)計算直線運動的運動軌跡，并實時計算機械臂各個關(guān)節(jié)在該運動軌跡上運行的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度等狀態(tài)參數(shù)，通過設(shè)備通信軟件將上述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站，實現(xiàn)對機器人的直線運動控制過程；該技術(shù)方案可以進行控制指令的接收、解析，算法調(diào)用、執(zhí)行，參數(shù)實時計算和傳輸?shù)裙δ?，可以?gòu)成一個完整的機器人直線運動控制系統(tǒng)，降低機器人控制系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果；另外結(jié)合了控制器狀態(tài)機的應(yīng)用，實現(xiàn)對算法處理過程的優(yōu)化控制，進一步提高了控制效果。

針對于機器人直線運動控制方法，本發(fā)明提供了該控制方法對應(yīng)的機器人直線運動控制系統(tǒng)，

參考圖2所示，圖2是機器人直線運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括：總控模塊、算法模塊和通信管理模塊；

所述總控模塊，用于接收控制端傳送的直線運動指令；其中，所述直線運動指令包括機械臂末端的直線運動的目標(biāo)位置和直線運動需要的時間；

所述算法模塊，用于讀取機械臂末端的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度；從所述直線運動指令中獲取直線運動的目標(biāo)位置；根據(jù)所述當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前位置運動到所述目標(biāo)位置的角度軌跡方程，以及計算所述機械臂末端在所述直線運動需要的時間內(nèi)由所述當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度降為0的速度軌跡方程和加速度軌跡方程；根據(jù)所述角度軌跡方程、速度軌跡方程和加速度軌跡方程和直線運動的方向單位向量確定直線運動軌跡；計算機械臂末端在所述直線運動軌跡上運行時，機械臂關(guān)節(jié)在各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度；

所述通信管理模塊，用于將所述目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

在一個實施例中，所述總控模塊通過第一接口與算法模塊進行通信連接，算法模塊通過第二接口與通信管理模塊進行通信連接，所述第一接口、第二接口是基于ros上創(chuàng)建orocos的實時輸入/輸出接口；

所述總控模塊在執(zhí)行直線運動控制中，在接收控制端傳送的直線運動指令后；還根據(jù)所述直線運動指令異步觸發(fā)直線運動執(zhí)行函數(shù)，根據(jù)所述直線運動執(zhí)行函數(shù)并通過第一接口調(diào)用直線運動規(guī)劃函數(shù)；

所述算法模塊在調(diào)用所述直線運動規(guī)劃函數(shù)后，讀取機械臂末端的當(dāng)前位置、當(dāng)前速度和當(dāng)前加速度，并計算直線運動軌跡；并將計算的機械臂末端在所述直線運動軌跡上運行時，機械臂關(guān)節(jié)在各個位置的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，通過第二接口將所述目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度發(fā)送給通信管理模塊；

所述通信管理模塊將所述目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站。

上述實施例的技術(shù)方案，利用orocos的實時輸入/輸出接口，總控模塊通過設(shè)定通信協(xié)議以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式接收直線運動指令，啟動直線運動指令觸發(fā)函數(shù)，調(diào)用算法模塊的機器人運動規(guī)劃的直線運動執(zhí)行函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)計算直線運動的運動軌跡，并實時計算機械臂各個關(guān)節(jié)在該運動軌跡上運行的目標(biāo)角度、目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度等狀態(tài)參數(shù)，通信管理模塊將上述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至控制主站，實現(xiàn)對機器人的直線運動控制過程；該技術(shù)方案可以進行控制指令的接收、解析，算法調(diào)用、執(zhí)行，參數(shù)實時計算和傳輸?shù)裙δ?，可以?gòu)成一個完整的機器人直線運動控制系統(tǒng)，降低機器人控制系統(tǒng)開發(fā)成本，提高控制效果。

作為實施例，總控模塊執(zhí)行算法流程，可以參考圖3所示，圖3是總控模塊執(zhí)行算法流程圖；具體如下：

1)操作者通過人機交互界面生成直線運動指令，指令的內(nèi)容，包括目標(biāo)位置p1，運動需要的時間t。

2)總控模塊通過通信協(xié)議，以異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用的方式從人機交互界面接收直線運動指令。

3)指令到達總控模塊后，異步觸發(fā)直線運動執(zhí)行函數(shù)，該函數(shù)首先判斷控制器狀態(tài)機是否為準(zhǔn)備(ready)狀態(tài)。若不是ready狀態(tài)，則拒絕執(zhí)行此次指令。

4)若控制器狀態(tài)機是ready狀態(tài)，則執(zhí)行如下操作：

a)通過orocos的operationalcaller方法調(diào)用算法模塊的直線運動規(guī)劃函數(shù)，并且傳遞指令參數(shù)。

b)將控制器狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為執(zhí)行直線運動(active.line)狀態(tài)。

5)判斷控制器狀態(tài)機是否重新變?yōu)閞eady狀態(tài)。若是ready狀態(tài)，則本次運動完成。

作為實施例，算法模塊執(zhí)行算法流程，可以參考圖4所示，圖4是算法模塊執(zhí)行算法流程圖；具體如下：

1)直線運動規(guī)劃函數(shù)被總控模塊調(diào)用，開始執(zhí)行直線運動規(guī)劃流程。

2)檢查控制器狀態(tài)機是否為active.line狀態(tài)，若不是則退出。

3)讀取機械臂末端當(dāng)前位置p0＝[x0,y0,z0]^t，當(dāng)前速度和加速度由于已知目標(biāo)位置p1＝[x1,y1,z1]^t。并將目標(biāo)的速度和加速度設(shè)為0。生成直線運動軌跡。

該方法的原理如下：

該方法的原理如下：

計算軌跡：

計算方向單位向量：

直線的運動軌跡用五次多項式(1)表示

s(t)＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵(4)

式中，t是運行時間；ai,i＝1,…,5是系數(shù)。

則可求得系數(shù)：

然后就可以根據(jù)以下公式計算出任意時刻t時的軌跡位置st，軌跡速度軌

跡加速度

st＝a0+a1t+a2t²+a3t³+a4t⁴+a5t⁵(6)

計算末端的目標(biāo)位置，速度與加速度：

使用逆運動學(xué)方法，計算關(guān)節(jié)角的位置：

θt＝invkinematics(pt)(10)

其中，invkinematics()代表逆運動學(xué)的計算公式。

關(guān)節(jié)的角速度與角加速度，可由如下表達式求出：

其中，j為雅可比(jacobian)矩陣，為雅可比矩陣的一階導(dǎo)，j⁺為的偽逆(pseudoinverse)。

4)將運動時間tn記為0。參考圖5所示，圖5是算法模塊執(zhí)行算法狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；將算法模塊的狀態(tài)標(biāo)志位設(shè)為運動狀態(tài)。

5)算法模塊的updatehook()函數(shù)檢測到狀態(tài)標(biāo)志位為運動狀態(tài)后，且運動時間tn不超過運動時長t的70％：

a)每隔1毫秒依據(jù)公式(10)、(11)、(12)分別計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度。

b)將機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，發(fā)送給通信管理模塊。

6)若運動時間tn滿足：0.7t＜tn＜t:

a)將算法模塊的標(biāo)志位更改為過渡狀態(tài)。

b)將控制器狀態(tài)機狀態(tài)設(shè)定為ready狀態(tài)。

c)若有新指令輸入，則啟動過渡運動規(guī)劃。

d)若沒有新指令輸入，則每隔1毫秒依據(jù)(10)、(11)、(12)分別計算一次機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度。并將機械臂每個關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度，目標(biāo)角速度和目標(biāo)角加速度，發(fā)送給通信管理模塊。

7)若運動時間tn滿足：tn≥t:

a)本次直線運動結(jié)束。

b)將算法模塊的標(biāo)志位更改為等待狀態(tài)。

所述通信管理模塊，可以進一步用于讀取機器人電機的狀態(tài)信息，根據(jù)機器人運動模型計算機器人機械臂的狀態(tài)信息，將機器人的狀態(tài)信息通過第三接口反饋給總控模塊，將機器人的狀態(tài)信息通過第二接口反饋給算法模塊；其中，所述電機的狀態(tài)信息包括位置、速度和力矩等；所述機械臂的狀態(tài)信息包括關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度、關(guān)節(jié)角加速度、末端位姿、末端線速度、末端角速度、末端線加速度和末端線加速度等。

為了更加清晰本發(fā)明的實施例的技術(shù)方案，下面闡述采用本發(fā)明的硬件和軟件環(huán)境應(yīng)用實例：

參考圖6所示，圖6是一應(yīng)用實例的機器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模型，在機器人控制器的搭建軟件架構(gòu)，運行于linux操作系統(tǒng)，該linux主機可以是x86架構(gòu)的pc機，或者arm芯片嵌入式架構(gòu)的開發(fā)板，總控模塊接入控制端的人機交互界面的控制指令。

linux主機可以安裝如下軟件：安裝xenomai或者rtai或者rtpreempt的實時內(nèi)核補丁；安裝ros，orocos，rfsm等軟件。

參考圖7所示，圖7是基于ros和orocos的搭建的軟件架構(gòu)圖；在控制過程中，操作系統(tǒng)上運行總控模塊、算法模塊和通信管理模塊。

1、對于總控模塊：

(1)總控模塊使用ros的orocreate-catkin-pkg方法創(chuàng)建ros的package，記為ec_control_system，然后在package中，通過繼承orocos的rtt：：taskcontext類，記為ec_control_system_component。

在ec_control_system_component類的構(gòu)造函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法，對模塊的輸入，輸出接口進行定義。

其中輸入的接口包括：

①通信管理模塊傳入的診斷數(shù)據(jù)；

②通信管理模塊傳入的狀態(tài)反饋信息：包括電機運行狀態(tài)等等；

③控制器狀態(tài)機的狀態(tài)；

輸出的接口包括：

①控制器狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給控制器狀態(tài)機。

b)利用orocos的operationalcaller方法設(shè)置函數(shù)調(diào)用接口。

第一，設(shè)置事件報告的回調(diào)函數(shù)：對事件報告處理請求進行響應(yīng)，包括生成錯誤的時間戳，事件級別等信息，并將事件信息，發(fā)送給人機交互界面顯示。

第二，設(shè)置警報設(shè)置的回調(diào)函數(shù)：依據(jù)診斷信息，判斷是否生成警報。比如，位置，速度，加速度是否超限等等。

第三，設(shè)置各種運動規(guī)劃的控制指令觸發(fā)函數(shù)，這些函數(shù)將對算法模塊的相應(yīng)響應(yīng)函數(shù)進行調(diào)用。

c)調(diào)用orocos的properties方法定義總控模塊的屬性，將總控模塊定義一個機械臂關(guān)節(jié)個數(shù)的屬性。

(2)在ec_control_system_component的starthook()成員函數(shù)中，設(shè)置執(zhí)行如下操作：

a)檢查日志報告是否正常，若異常直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

b)通過ice開發(fā)的通信協(xié)議建立與人機交互界面的通信連接，調(diào)用通信協(xié)議提供的動態(tài)異步遠(yuǎn)程過程調(diào)用(rpc)方法，對人機交互界面發(fā)起的控制指令進行響應(yīng)的回調(diào)函數(shù)進行綁定。該回調(diào)函數(shù)，首先根據(jù)ice(theinternetcommunicationsengine，互聯(lián)網(wǎng)通信引擎)提供的遠(yuǎn)程過程異步調(diào)用方法傳入的第一個參數(shù)，判斷調(diào)用類型，然后依據(jù)此類型選擇調(diào)用相應(yīng)運動規(guī)劃的運動指令觸發(fā)函數(shù)。

(3)對于ec_control_system_component的cleanuphook()成員函數(shù)，為了使得該函數(shù)在總控模塊結(jié)束運行時，實現(xiàn)自動調(diào)用，還可以設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)調(diào)用ice開發(fā)的通信協(xié)議接口，關(guān)閉與人機交互界面的通信連接。

(4)對于控制器狀態(tài)機，參考圖8所示，圖8是控制器狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖；可以設(shè)置init、ready、fault、active.recovery、active.halt、active.hands、active.tozero、active.ptp、active.line、active.circle、active.stop共十一個狀態(tài)，分別代表初始化、等待指令輸入、恢復(fù)、暫停、手動示教、回到原點、直線運動、直線運動、直線運動、急停狀態(tài)。其中，active.recovery、active.halt、active.hands、active.tozero、active.ptp、active.line、active.circle、active.stop這八個狀態(tài)組成一個active狀態(tài)的集合，active的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，對八個子狀態(tài)均有效。例如，給八個狀態(tài)中的任一個，寫入“e_ready”事件，將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到ready狀態(tài)(即等待指令輸入狀態(tài))。

另外，還可以使用lua語言，編寫總控模塊的啟動文件，該啟動文件設(shè)置為執(zhí)行如下動作：

a)通過orocos的import方法，加載模塊進行運行；

b)定義模塊的刷新頻率，線程的優(yōu)先級別；

c)對模塊的屬性進行賦值；

d)通過orocos的connect方法，將總控模塊的輸入、輸出接口和算法模塊和通信管理模塊的接口建立連接。

e)通過orocos的start方法，運行總控模塊，總控模塊將先調(diào)用starthook()函數(shù)，然后按預(yù)設(shè)刷新頻率，實時地周期性調(diào)用updatehook()函數(shù)。

2、對于算法模塊：

算法模塊使用ros的orocreate-catkin-pkg方法創(chuàng)建ros的package，記為ec_control_loop，然后在package中，通過繼承orocos的rtt：：taskcontext類，記為ec_control_loop_component。

(1)在ec_control_loop_component類的構(gòu)造函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)算法模塊利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法，對輸入，輸出接口進行定義。

其中輸入的接口包括：

①通信管理模塊傳入的電機運行數(shù)據(jù)；

②通信管理模塊傳入的診斷數(shù)據(jù)；

③設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)；

④控制器狀態(tài)機的狀態(tài)；

輸出的接口包括：

①電機控制指令數(shù)據(jù)，輸出給設(shè)備通信模塊；

②設(shè)備狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給設(shè)備狀態(tài)機；

③控制器狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給控制器狀態(tài)機。

b)利用orocos的operationalcaller方法設(shè)置函數(shù)調(diào)用接口，設(shè)置事件報告的接口：該接口將觸發(fā)總控模塊的事件報告處理函數(shù)設(shè)置各種運動規(guī)劃的返回原點指令響應(yīng)函數(shù)。

c)調(diào)用orocos的properties方法定義算法模塊的屬性，算法模塊定義一個機械臂關(guān)節(jié)個數(shù)的屬性。

(2)在ec_control_loop_component的starthook()成員函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)檢查日志報告是否正常，若異常直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

b)檢查電機運行數(shù)據(jù)通道是否有數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理。

(3)對于ec_control_loop_component類的updatehook()成員函數(shù)，設(shè)置該函數(shù)在算法模塊運行時，按照用戶設(shè)定的頻率實時運行(如設(shè)為100hz)，可以設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)讀取控制器狀態(tài)機狀態(tài)；

b)根據(jù)控制器狀態(tài)機的不同狀態(tài)，執(zhí)行不同操作：

ⅰ、如果是直線運動，直線運動，直線運動，手動示教，急停，回到原點狀態(tài)。此時，執(zhí)行如下操作：

如果指令緩沖區(qū)的控制指令個數(shù)小于20個，則將所有指令一起發(fā)送給通信管理模塊，并將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)改變?yōu)榈却噶钶斎霠顟B(tài)；

如果指令緩沖區(qū)的控制指令個數(shù)大于20個，則取指令隊列末尾的20個，發(fā)送給通信管理模塊；

ⅱ、如果是暫停狀態(tài)，則什么也不做。

(4)對于ec_control_loop_component類，定義直線運動，直線運動，直線運動，手動示教，急停，回到原點，暫停，恢復(fù)等函數(shù)調(diào)用接口，實現(xiàn)如下：

a)直線運動，直線運動，直線運動，手動示教，回到原點的函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

檢查控制器狀態(tài)機是否處于等待指令輸入狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

讀取電機的當(dāng)前的狀態(tài)信息；

依據(jù)電機的當(dāng)前狀態(tài)，分別調(diào)用直線運動，直線運動，直線運動，手動示教，回到原點的運動規(guī)劃，并將生成的電機控制指令保存到指令緩沖區(qū)；

將控制器狀態(tài)機設(shè)為相應(yīng)的狀態(tài)。比如直線運動回調(diào)函數(shù)，則將控制器狀態(tài)機設(shè)為直線運動狀態(tài)。

b)暫停函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

檢查控制器狀態(tài)機是否是直線運動，直線運動，直線運動，手動示教，回到原點等狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊進行處理；

記錄當(dāng)前控制器狀態(tài)機的當(dāng)前狀態(tài)，并將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀和顟B(tài)。

c)恢復(fù)函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

檢查控制器狀態(tài)機是否是暫停狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

將控制器狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀和Ｇ暗臓顟B(tài)。

d)急停函數(shù)，內(nèi)部實現(xiàn)如下：

ⅰ、檢查控制器狀態(tài)機是否是直線運動，直線運動，直線運動，手動示教，回到原點等狀態(tài)。如果不是則退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊處理；

ⅱ、讀取電機的當(dāng)前的狀態(tài)信息；

ⅲ、將電機控制指令緩沖區(qū)清零；

ⅳ、調(diào)用速度規(guī)劃運動規(guī)劃，讓電機以最短時間，速度降為0，并將生成的電機控制指令保存到指令緩沖區(qū)。

(5)使用lua語言，編寫算法模塊的啟動文件，設(shè)置為執(zhí)行如下動作：

a)通過orocos的import方法，加載算法模塊；

d)定義算法模塊的刷新頻率，線程的優(yōu)先級別；

c)對算法模塊的屬性進行賦值；

d)通過orocos的connect方法，將算法模塊的輸入，輸出接口和總控模塊和通信管理模塊的接口建立連接。

e)通過orocos的start方法，運行算法模塊，算法模塊先調(diào)用starthook()函數(shù)，然后按設(shè)置的刷新頻率，實時地周期性調(diào)用updatehook()函數(shù)。

3、對于通信管理模塊：

通信管理模塊可以通過linux主機minicom中的ttyacm0與arm開發(fā)板通信，可以在該arm開發(fā)板上運行一個canopen主站協(xié)議，該主站協(xié)議可以設(shè)置一個指令緩存區(qū)，最多可以存儲25個指令。

通信管理模塊可以利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法與機器人算法模塊和總控模塊進行通信。

利用rfsm軟件建立設(shè)備狀態(tài)機，對通信管理模塊的業(yè)務(wù)邏輯進行控制。

通信管理模塊利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法與設(shè)備狀態(tài)機連接，可改變設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)，并讀取狀態(tài)。

(1)通信模塊使用ros的orocreate-catkin-pkg方法創(chuàng)建為ros的package，然后在package中，通過繼承orocos的rtt：：taskcontext類，創(chuàng)建一個orocos的實時模塊，記為ec_component。

在ec_component類的構(gòu)造函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)通信管理模塊利用orocos的rtt：：input與rtt：：output方法，對輸入，輸出接口進行定義。

其中輸入的接口包括：

①算法模塊傳入的控制指令數(shù)據(jù)；

②設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)；

輸出的接口包括：

①診斷數(shù)據(jù)，輸出至算法模塊和總控模塊；

②電機運行數(shù)據(jù)和機械臂狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出給算法模塊；

③狀態(tài)機事件觸發(fā)，輸出給設(shè)備狀態(tài)機。

b)利用orocos的operationalcaller方法定義函數(shù)調(diào)用接口，通信管理模塊定義事件報告的接口，通過該接口觸發(fā)總控模塊的事件報告處理函數(shù)。

c)調(diào)用orocos的properties方法定義通信管理模塊的屬性，通信管理模塊定義一個機械臂關(guān)節(jié)個數(shù)的屬性。

(2)在ec_component的starthook()成員函數(shù)中，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)檢查日志報告是否正常，若異常直接退出，并將相關(guān)信息通過事件報告接口傳遞給總控模塊進行處理；

b)電機驅(qū)動初始化：

ⅰ、通過ttyacm0與電機驅(qū)動器建立通信；

ⅱ、電機指令緩沖隊列清空；

ⅲ、電機使能，如果使能成功，則進行下一步，否則退出；

ⅳ、讀取電機的位置，計算機器人的機械臂當(dāng)前狀態(tài)，包括關(guān)節(jié)角度，機械臂末端位姿；

c)機械臂狀態(tài)初始化：

依據(jù)電機位置，判斷機械臂是否需要執(zhí)行回零運動。如果機械臂任一關(guān)節(jié)角度與零度相差大于0.01度，則執(zhí)行回零運動，調(diào)用直線運動規(guī)劃，對回零運動進行規(guī)劃。

d)改變設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)：

如果機器人的機械臂需要執(zhí)行回零運動，則控制設(shè)備狀態(tài)機保持init狀態(tài)不變；否則，向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_nominal”事件，將設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為active.nominal。

(3)對于ec_component的updatehook()成員函數(shù)，設(shè)置該函數(shù)在通信管理模塊運行時，以用戶設(shè)定的頻率實時運行(如設(shè)為1khz)，設(shè)置為執(zhí)行如下操作：

a)讀取設(shè)備狀態(tài)機狀態(tài)；

b)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)機的不同狀態(tài)，執(zhí)行不同操作：

ⅰ、如果是init狀態(tài)，執(zhí)行機械臂的回零運動。此時，執(zhí)行如下操作：

讀取系統(tǒng)的時鐘，依據(jù)回零運動軌跡規(guī)劃結(jié)果，計算該時刻電機的運動指令，并將該單條運動指令發(fā)送給canopen主站。

如果運動已回零成功，向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_nominal”事件，將設(shè)備狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為active.nominal，并將該事件報告給總控模塊。

ⅱ、如果是active.nominal狀態(tài)。此時，執(zhí)行如下操作：

從控制指令數(shù)據(jù)的輸入通道中，讀取控制指令，并存儲到電機指令緩沖隊列中。

讀取canopen主站指令緩沖區(qū)的現(xiàn)有指令個數(shù)，如果小于10個，則一次性從電機指令緩沖隊列中取出15個運動指令發(fā)送給canopen主站。如果電機指令緩沖隊列的指令個數(shù)小于15個，則一次性全部發(fā)送給canopen主站。

ⅲ、如果是active.recovery狀態(tài)。此時，通信管理模塊處于恢復(fù)狀態(tài)。

此時，依據(jù)診斷信息，對系統(tǒng)狀態(tài)進行恢復(fù)，若恢復(fù)成功，向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_nominal”事件，將設(shè)備狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為active.nominal。并將該事件報告給總控模塊。

若恢復(fù)不成功，給狀態(tài)機發(fā)送“e_fault”事件，狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為fault狀態(tài)，將該事件報告給總控模塊，并直接退出updatehook()。

ⅳ、如果是active.halt狀態(tài)。此時，模塊處于暫停狀態(tài)，執(zhí)行如下操作：檢查控制指令數(shù)據(jù)的輸入通道中是否有新的指令，若有新指令，則讀取控制指令，并存儲到電機指令緩沖隊列中。

ⅴ、如果是active.hands狀態(tài)。此時，模塊處于手控模式，執(zhí)行如下操作：

讀取系統(tǒng)的時鐘，依據(jù)運動軌跡規(guī)劃結(jié)果，計算該時刻電機的運動指令，并將該單條運動指令發(fā)送給canopen主站。

ⅵ、如果是fault狀態(tài)，則直接退出updatehook()。

c)讀取電機狀態(tài)，根據(jù)機械臂的模型計算機械臂關(guān)節(jié)以及末端運動狀態(tài)信息，并通過輸出數(shù)據(jù)通道，傳遞給算法模塊與總控模塊；

d)檢查控制主站是否有錯誤報告信息，如果有錯誤信息，則將診斷信息傳遞給算法模塊與總控模塊。向設(shè)備狀態(tài)機發(fā)送“e_recovery”事件，將設(shè)備狀態(tài)機轉(zhuǎn)換為active.recovery狀態(tài)、并將該事件報告給總控模塊。

(4)對于ec_component的cleanuphook()成員函數(shù)，該函數(shù)在模塊結(jié)束運行時，自動調(diào)用，設(shè)置執(zhí)行如下操作：

a)關(guān)閉電機驅(qū)動使能；

b)關(guān)閉電機驅(qū)動連接。

(5)參考圖9所示，圖9是設(shè)備狀態(tài)機的狀態(tài)變化示意圖。共有init(初始化)、fault(中斷)，active.recovery(恢復(fù))、active.hands(手動示教)、active.halt(暫停)、active.nominal(運轉(zhuǎn))六個狀態(tài)。active.recovery、active.hands、active.halt、active.nominal四個狀態(tài)組成一個active(使能)的狀態(tài)集合，active的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，對四個子狀態(tài)均有效。

(6)使用lua語言，編寫該模塊的啟動文件，該啟動文件設(shè)置執(zhí)行如下動作：

a)通過orocos的import方法，加載通信管理模塊；

b)定義通信管理模塊的刷新頻率，線程的優(yōu)先級別；

c)對通信管理模塊的屬性進行賦值；

d)通過orocos的connect方法，將通信管理模塊的輸入，輸出接口和總控模塊和算法模等的接口建立連接。

e)通過orocos的start方法，運行通信管理模塊，通信管理模塊先調(diào)用starthook()函數(shù)，然后按定義好的刷新頻率，實時地周期性調(diào)用updatehook()函數(shù)。

對于上述總控模塊、算法模塊和通信管理模塊，設(shè)置為當(dāng)運行后，如果用戶需要中途停止該模塊，同時按鍵盤的ctrl鍵與d鍵。

綜上實施例，基于ros和orocos，利用orocos的實時性特點，保證軟件程序的實時性能；充分利用ros的開放性，基于ros、orocos開發(fā)的總控模塊、算法模塊和通信管理模塊進行實時通信，共同構(gòu)成一個完整的機器人控制器軟件；進一步建立了控制器狀態(tài)機和設(shè)備狀態(tài)機，從而實現(xiàn)對總控模塊、通信管理模塊的業(yè)務(wù)邏輯進行有效管理。

通過orocos的rtt：：input,rtt：：output方法建立總控模塊、算法模塊和通信管理模塊的數(shù)據(jù)輸入、輸出通道，通過orocos的operationalcaller方法定義函數(shù)調(diào)用接口，通過orocos的properties方法定義總控模塊、算法模塊和通信管理模塊的屬性。因此，保證了總控模塊、算法模塊和通信管理模塊之間的獨立性與解耦性。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。